第9章半導體磁敏傳感器

第九章 半導體磁敏傳感器半導體磁敏傳感器在各種傳感器中，磁敏傳感器是使用得較早的一種，指南針便是最古老的磁敏傳感器。電流通過線圈時，在線圈周圍產生磁場，若線圈中的磁通量發(fā)生變化，則線圈產生感應電動勢，這就是磁電感應現(xiàn)象。因此線圈是將磁量變成電量的最簡單的磁電轉換元件。如果將磁場加到半導體等材料上，材料的電性質就發(fā)生變化，這就是磁電效應。凡是利用磁電效應構成的傳感器稱為磁電式傳感器或磁敏傳感器。半導體磁敏傳感器是半導體傳感器的一種，如霍爾元件、磁阻元件、磁抗元件、磁敏二極管和磁敏三極管?！?-1霍爾元件原理

霍爾式傳感器是利用霍爾效應使位移帶動霍爾元件在磁場中運動產生霍爾電勢，即把位移信號轉換成電勢變化信號的傳感器。優(yōu)缺點：優(yōu)點：結構簡單，體積小，堅固頻率響應寬，動態(tài)范圍大無觸點，使用壽命長，可靠性高易于微型化和集成電路化缺點：轉換率較低，溫度影響大，要求轉換精度較高時，必須進行溫度補償。一、霍爾元件霍爾元件：直角平行六面體的單晶半導體薄片材料：鍺(Ge)、硅(Si)、砷化銦(InSb)等半導體材料?；魻栐M成：半導體薄片和兩對電極組成輸入引線a、b：激勵電極輸出引線c、d：霍爾電極霍爾元件的符號和基本電路二、霍爾效應

當輸入端加電流I，并在元件平面法線方向加磁感強度為B的磁場，那么在垂直于電流和磁場方向上將產生一電勢UH，這個電勢就是霍爾電勢，這種現(xiàn)象就是霍爾效應?；魻栃脑?任何帶電質點在磁場中沿著和磁力線垂直方向運動時，會受到磁場力

如果v和B之間有夾角，那么要乘上sin，用向量表示即為Fl的方向用右螺旋決定，指向由v經小于1800的角轉向B，這個Fl就是洛侖茲力，對于正電荷Fl在vB的方向上，至于負電荷，則所受的力的方向正好相反?；魻栯妱莘较蚺袆e：P型材料：N型材料：左手定則：四指——指向電流

B——穿過手心大拇指——指向的是力的方向霍爾電勢：三、霍爾系數(shù)及靈敏度霍爾系數(shù)：

霍爾系數(shù)取決于載流子材料的物理性質，反映了材料的霍爾效應的強弱。

n、RH，故金屬導體不適于制作霍爾元件，而半導體材料遷移率（尤其是N型半導體）大，故RH

。

n——自由電子密度q——帶電粒子的電量靈敏度和霍爾電勢靈敏度：

SH表示單位電流、單位磁場作用下，開路的霍爾電勢輸出值。

SH與元件的厚度成反比，d、SH，但考慮提高靈敏度的同時，必須兼顧元件的強度和內阻。

dr內阻

霍爾電勢：

四、霍爾元件的誤差及其補償

由于制造工藝問題以及實際使用時所存在的各種影響霍爾元件性能的因素，如元件安裝不合理、環(huán)境溫度變化等，都會影響霍爾元件的轉換精度，帶來誤差。（一）、霍爾元件的零位誤差及其補償

霍爾元件的零位誤差包括不等位電動勢、寄生直流電動勢等。1.不等位電動勢U0及其補償

當霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢，稱為不等位電動勢U0。U0產生的原因：(1)制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上，如圖5-8a所示。

(2)霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜(見圖5-8b)，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產生不等位電動勢。

采用補償電路加以補償2.寄生直流電動勢

當霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場時，霍爾輸出除了交流不等位電動勢外，還有直流電動勢分量，稱為寄生直流電動勢。產生原因：由于元件的兩對電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應，以及兩個霍爾電極的焊點大小不等、熱容量不同引起溫差所產生的。（二）、霍爾元件的溫度誤差及其補償

一般半導體材料的電阻率、遷移率和載流于濃度等都隨溫度而變化?；魻栐砂雽w材料制成，因此它的性能參數(shù)如輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動勢變化，產生溫度誤差。選用溫度系數(shù)小的霍爾元件采用適當?shù)难a償電路采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻合理選取負載電阻RL的阻值采用恒流源和輸入回路串聯(lián)電阻采用溫度補償元件采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻

根據(jù)式(5-5)選擇輸入回路并聯(lián)電阻RP，可使溫度誤差減到極小而不影響霍爾元件的其他性能。合理選取負載電阻RL的阻值當霍爾元件接有負載RL（如放大器的輸入電阻）時，在RL上的電壓為式中Ro——霍爾元件的輸出電阻

Ro0——溫度為t0時的輸出電阻為使負載上的電壓不隨溫度而變化，應使即得

可采用串、并聯(lián)電阻的方法使上式成立來補償溫度誤差。但霍爾元件的靈敏度將會降低。采用恒流源和輸入回路串聯(lián)電阻采用溫度補償元件霍爾元件不等位電勢U0的溫度補償五、霍爾式傳感器的應用

根據(jù)霍爾電勢的表達式，其應用可用于下述三個方面：控制電流I不變，傳感器處于非均勻磁場中，UHB

?？蛇M行磁場、位移、角度、轉速、加速度等測量。

磁場不變，即B不變，UHI。故凡是能轉換成電流變化的各量均能測量。

I、B均變化，UHI·B?？捎糜诔朔?、功率等方面的計算與測量。（一）、微位移測量(a)曲線對應(a)圖的磁路結構，其線性范圍窄，而且在位移z=0時，UH

0。

(b)曲線對應(b)圖，當z=0時，B=0，故UH=0。當z0時，UH0，其值決定于B的大小。這種結構UH與B具有良好線性，且分辨力較高，可達10-6m；另外兩塊磁鋼越短，磁場梯度越大，靈敏度越高。

(c)曲線對應(c)圖，磁場梯度很大，所以它的靈敏度很高，但它的測量位移量很小，一般z0.5mm，所以它特別適合于測量微位移以及機械振動的振幅等。產生梯度磁場的磁系統(tǒng)及它們各自的靜態(tài)特性：霍爾式微壓、壓力傳感器

差動式霍爾傳感器原理

UH=UH1-UH2討論：(1)當霍爾元件在平衡位置時，UH1=UH2，則UH=0；(2)當霍爾元件向右位移x，UH1,UH2，UH=UH1-UH2=-UH(3)當霍爾元件向左位移x，UH1,UH2，UH=UH1-UH2=UH霍爾式加速度傳感器

霍爾式機械振動傳感器

（二）、霍爾式轉速傳感器總結原始輸入量變換原理物理現(xiàn)象能量關系輸出量I和B霍爾效應物性型控制型霍爾電勢§9-2磁阻元件一、磁阻效應與磁阻元件磁阻器件類似于霍爾器件，當霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場作用時，不僅會產生霍爾效應引起的霍爾電勢，而且還會出現(xiàn)半導體電阻率增大的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(或稱為高斯效應)。磁阻效應與霍爾效應區(qū)別在于，霍爾電勢是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應則是沿電流方向產生的阻值變化。磁阻效應與材料性質及幾何形狀有關，一般遷移率愈大的材料，磁阻效應愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應愈大。磁阻元件是利用半導體的磁阻效應而制作的元件，這種元件的電阻值能夠隨著磁場的增加而增大。它的優(yōu)點是像電阻元件一樣，只有兩個端子，結構簡單，安裝方便。缺點是磁阻元件的電特性比霍爾元件的復雜，不是單一的線性輸出。半導體磁阻元件外形呈扁平狀，非常薄，它是在0.1~0.5mm的絕緣基片上蒸鍍上約20~25μm的一層半導體材料制成的，也有在半導體薄片上腐蝕成型的。為了增加有效電阻，將其制成電阻應變片那樣的彎曲柵格，端子用導線引出后，再用絕緣材料覆蓋密封。常見的磁阻元件有l(wèi)nSb(柵格型)、lnSb—NiSb(共晶型)和薄膜型等。二、磁阻元件的主要特性一般地如果金屬柵條之間的距離不是非常接近，那么在弱磁場B作用下，即tgθ<<1時，元件的電阻變化呈平方特性，用下式表示在強磁場B作用下，即tgθ>>1時，元件的電阻變化呈線性特性，用下式表示二、磁阻元件的主要特性(1)電阻變化與磁感應強度的關系。因材料不同，磁阻相對變化與磁感應強度B的變化關系如圖9-14所示。L和D為不同摻雜的InSb-NiSb。由圖可知磁感應強度小于0.3T時，電阻變化與磁感應強度成平方關系；當大于0.3T時則成線性關系。(2)相對靈敏度Sr。磁敏電阻的相對靈敏度是磁感應強度為0.3T(或1T)時電阻值RB與零磁場電阻值R0之比，即Sr=RB/R0

。(3)溫度特性。磁敏電阻材料是一種受溫度影響極大的材料，溫度系數(shù)和磁場的關系如圖9-15所示。

(4)標稱阻值及額定功率。磁敏電阻大部分和半導體電路配合使用，電阻為50~500Ω的元件已滿足需要。磁敏電阻的額定功率在環(huán)境溫度低于80OC時為幾毫瓦。三、磁阻元件的應用從應用來看，磁阻元件具有兩種功能，一是具有本身電阻可改變的功能，另一是和電流結合起來實現(xiàn)乘法運算的功能。同時磁阻元件的電阻變化有平方特性和線性特性，流過磁阻元件的電流可以是交流的，也可以是直流的，因此可進行不同的組合，應用范圍相當廣泛。下面介紹幾個在測試技術中常用的例子。三、磁阻元件的應用

(1)磁通計。用比例型磁阻元件制作的磁通計能夠直接讀出磁通密度，一般用于磁通密度大于0.3T以上的測量。磁阻效應磁通計特別適宜于測量密度較高的脈沖磁場，還可用于測量超導磁體。高靈敏度磁通計是利用兩個平方特性的磁阻元件在弱磁場作用下具有很高靈敏度這一原理制成的一種磁通計。(2)位移計。圖9-16所示是一個利用差動式磁阻元件的電壓分壓比隨永久磁鐵的位置而變化的性質制作的位移傳感器。如果將永久磁鐵和磁阻元件配置成圓形，則不僅可測出直線位移，還可模擬檢測出轉角。三、磁阻元件的應用(3)無觸點點開關。當磁阻元件接近永久磁鐵時會使元件阻值增大，再根據(jù)需要將信號放大或直接驅動晶體管，就可以實現(xiàn)無觸點開關功能或計數(shù)功能。電路如圖9-17所示?！?-3磁敏二極管和磁敏三極管

磁敏二極管和磁敏三極管是由鍺或硅半導體材料制成的，其中二極管具有長基區(qū)的P+一i一N+型的二極管結構，磁敏三極管則是具有雙極型晶體管結構的磁電轉換元件。一、磁敏二極管(一)結構原理磁敏二極管是利用電子和空穴雙注入效應和復合效應原理制成的元件。磁敏二極管的兩端是高摻雜的半導體P+和N+，中間是一個較長的本征半導體i，它不像普通二極管的P型和N型半導體直接接觸，在接觸面附近形成PN結。磁敏二極管的P+型和N+型半導體不直接接觸。因此它又叫P+一i一N+型長二極管，其結構符號和工作原理如圖9-18所示。(一)結構原理這種二極管的特點是在長基區(qū)(i區(qū))的一側設置了載流子高復合區(qū)r，r區(qū)對面則是復合速率很低的光滑表面。當元件施加正向電壓時，在無磁場情況下，P+區(qū)的空穴和N+區(qū)的電子分別流入N+區(qū)和P+區(qū)形成電流，僅有少量電子和空穴在i區(qū)復合掉。當加上正向磁場B+時，由于洛侖茲力的作用使電子和空穴偏向r區(qū)，并在r區(qū)很快復合掉，這時i區(qū)的載流子密度減小，使i區(qū)的電阻增加，電流減小，i區(qū)電壓降增大，而P+i結和N+i結上的電壓降減小，促使注入i區(qū)的載流子數(shù)量下降，使i區(qū)電流進一步減小，直到某一穩(wěn)定狀態(tài)為止。(一)結構原理在反向磁場B+作用下，電子和空穴向r區(qū)的對面偏轉，復合數(shù)量減小，于是i區(qū)的載流子密度增加，電阻減小，電流增加，i區(qū)的電壓降減小，結果P+i結和N+i結上電壓降增加，促使載流子向i區(qū)注入，直到電阻值減小到某一穩(wěn)定狀態(tài)為止。因此磁敏二極管的工作原理就是這種電子和空穴雙注入效應和復合效應的結合。由于存在正反饋作用，所以這種元件具有很高的靈敏度。磁敏二極管只有在正向偏壓下，流過二極管的電流隨磁場的變化而改變，才具磁敏現(xiàn)象，在反向偏壓下．因為漏電流很小，所以不出現(xiàn)磁敏現(xiàn)象。(二)磁敏二極管的主要特性(1)伏安特性。磁敏二極管所加正向偏壓與二極管流過電流的關系稱為伏安特性，不同磁場作用下，其伏安特性不同。(二)磁敏二極管的主要特性

(2)磁電特性。磁敏二極管輸出電壓的變化與外加磁場的關系稱為磁電特性。(二)磁敏二極管的主要特性(3)溫度特性。磁敏二極管隨著溫度的變化輸出電壓發(fā)生變化，靈敏度也隨之變化，如圖9-21所示。(二)磁敏二極管的主要特性(4)頻率特性。磁敏二極管相對于磁場和脈沖電源的頻率特性取決于載流子在本征區(qū)域內的渡越時間，因而頻率特性與元件的尺寸大小有關。鍺磁敏二極管在50kHz時的靈敏度將下降3dB。硅磁敏二極管的尺寸小，載流子復合時間短，因此頻率特性比鍺管好，上限頻率可達100kHz。(三)磁敏二極管的應用磁敏二極管是一個二端子元件，與磁阻元件類似，但不是純電阻性的，電阻值和靈敏度隨外加電壓變化，不符合歐姆定律。采用交流電壓工作時要加偏置磁場，以避免在負電壓區(qū)工作，它能判明磁場的正、反向，對應正、反向磁場輸出極性要改變，在弱磁場下與磁場強度成正比；靈敏度高，輸出阻抗大，不能直接進行功率控制。磁敏二極管的主要缺點是溫度特性、頻率特性、電壓對磁場的線性、漂移等不如霍爾元件的好，但使用尚不成嚴重問題。(三)磁敏二極管的應用(1)磁場測量。用磁敏二極管制成磁通計，可以測量小于10-6~10-7T的弱磁場，例如測量變壓器漏磁分布、陰極射線管偏轉磁場分布等等。磁敏二極管的出現(xiàn)使磁力探傷儀測量探頭進入實用階段，實現(xiàn)了導磁材料探傷自動化。用磁敏二極管還可制成磁電指向儀、磁力探礦儀和地磁測量儀。

(2)電流檢測。磁敏二極管可以用于鉗形電流計來測量大電流，還可用于電動機過載保護裝置，當電流超過額定值時，切斷電源，防止線包燒毀。(3)位移檢測。通過磁鐵和磁敏二極管的相對距離變化，使得加在磁敏二極